WEB-ресурс научно-практических конференций

Алимов Н.П.

ФГУ «ВНИИ охраны и экспертизы труда», Российская Федерация

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТ И средств ИНДИВИДУАЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ ОТ ШУМА

В основе метода расчета эффективности средств индивидуальной защиты ( СИЗ ) от шума лежит математическая модель, построенная с учетом описания физических процессов и обеспечивающая приемлемое соответствие экспериментальным данным. В качестве таковой рассматривается модель СИЗ, приведенная в работе [1] и представляющая собой звукоизолирующий наушник в форме цилиндрического стакана массы , который опирается с открытого конца на околоушную часть головы через прокладку с механической упругостью потерями . Полученная при работе [1] частотная характеристика звукоизоляции наушника имеет вид:

(1)

где и - площади соответственно наружного и внутреннего сечений; -комплексное волновое число для воздушной полости наушника с поролоновой прокладкой, вносящей акустические потери, обусловленные величиной мнимой части ; -эффективная длина внутренней полости; ; и -соответственно плотность воздуха и скорость звука в воздухе; -угловая частота. При этих обстоятельствах скорость звука тоже комплексна и определенная выражением:

(2)

Универсальной характеристикой воздействующего звукового сигнала детерминированной или случайной природы является его энергетический спектр .

Входной спектр связан с входным спектром соотношением [2]:

(3)

где - модуль частотной характеристики [1]. В нашей задаче выходным будет считаться сигнал, воздействующий на ухо на выходе наушника.

На практике уровни шумов измеряются и оцениваются уровнями звукового давления а 8-октавных полосах со среднегеометрическими частотами 63, 125, 250, 500, 1000, 2000, 4000, 8000 Гц. Если известен энергетический спектр сигнала, то получить данные, отвечающие нормативной методике, не представляющей особого труда. Для этого следует воспользоваться уже известной формулой работы [2]:

(4)

где - среднее звуковое давление входного сигнала, Н/м2.

Для полосового сигнала получаем следующие выражения, учитывая среднее по полосе звуковое давление и уровень шума :

(5)

(6)

где и - соответственно нижняя и верхняя границы частотной полосы.

На практике информация о входном сигнале предстает в иных формулах, обусловленных простотой, наглядностью или традициями. Для наиболее характерных видов сигналов установим связь с энергетическими спектрами.

Синусоидальный сигнал Р задается звуковым давлением амплитудой Р0 и частотой :

, (7)

где - время, с.

Его энергетический спектр получаем путем усреднения квадрата давления по периоду:

, (8)

где - дельта-функция.

Среднее значение входного синусоидального сигнала

(9)

получаем с помощью формулы (4).

Дискретный спектр давления составляющих вида отвечает следующему энергетическому спектру, полученному путем энергетического сложения:

(10)

«Белый шум» задается постоянным значением энергетического спектра . Среднее звуковое давление, вычисляемое по формуле (4), дает бесконечность. Поэтому модель «белый шум» следует применять для 8-октавных полос частот.

Полоса «белого шума» с заданным постоянным энергетическим спектром после его подстановки в формулу (5) определяется средним по полосе значением давления

(11)

и соответствующим уровнем звукового давления по аналогии с формулой (6)

(12)

Полезна для дальнейших приложений обратная формула, связывающая энергетический спектр «белого шума» с уровнем звукового давления,

(13)

Если входной сигнал получен в результате измерений шума в октавных полосах и выражен в децибелах уровня звукового давления, то таких сведений для вычисления энергетического спектра недостаточно. Восстановить энергетический спектр можно при дополнительных предположениях о его характере. Например, если заданы уровни звукового давления в октавных полосах, то можно предположить спектр дискретным, состоящим из колебаний восьми частот (при предположении, что октавных полос восемь), равных каждая средней геометрической граничных значений . Амплитуда каждой составляющей равна заданному значению звукового давления.

В качестве другого варианта можно предположить ступенчатый спектр, состоящий из октавных полос «белого шума», причем средний уровень давления каждой равен измеренному значению. Именно этот вариант рассматривается ниже при вычислении эффективности звукоизоляции.

Если вопрос о характере энергетического спектра входного сигнала решен, то вычисляем спектр выходного сигнала, который при необходимости можем выразить в уровнях звукового давления октавных полос частот. Сравнение входных и выходных характеристик этого рода определит эффективность звукоизоляции по полосам частот.

Для параметров общего уровня выходного сигнала с помощью формул (2)-(6) получаем:

(14)

(15)

Для параметров выходного сигнала в полосе частот получаем из формул (2), (5) и (6) выражения:

(16)

(17)

Формула (17) дает возможность выразить выходной сигнал в нормируемых параметрах уровня звукового давления.

Применение полученных выше формул позволяет решить важную практическую задачу: по данным измерения шума с помощью приборов, дающих недостаточную для точных измерений информацию, оценить эффективность звукоизолирующих средств в их конкретных приложениях. Приняв к сведению экспериментальные уровни звукового давления в полосах частот, высказываем гипотезу о характере спектра внутри каждой полосы, потом по данному интегральному уровню звукового давления подбираем формулу энергетического спектра , который имеет интегральный уровень, отвечающий принятой гипотезе. Далее путем подстановки вычисляем выходной уровень звукового давления по формуле (17). Сравнение измеренного входного уровня с вычисленным выходным дает оценку звукоизоляции.

Отметим, что точные расчеты возможны только при наличии энергетического спектра, измеренного, например, с помощью узкополосного фильтра.

Наиболее общепринятой является гипотеза постоянного энергетического спектра в полосе частот (или полосы «белого шума»). Именно эта гипотеза лежит в основе оценки эффективности снижения шума путем вычитания его уровней, воздействующих на орган слуха при использовании средства защиты и без него.

Список литературы:

1. Алимов Н.П., Князев А.С., Лагунов Л.Ф. Расчет эффективности звукоизоляции индивидуальных средств. – В кн.: Проблемы охраны труда . (тезисы докладов IV Всесоюзной межвузовской конференции, 14-16 сентября 1982г.). – Каунас, 1982.

2. Зиновьев А.Л., Филиппов Л.И. Введение в теорию сигналов и цепей. – М.: Высшая школа, 1975.